波形的发生和信号的转换8.2电压比较器.ppt
,模拟电子技术基础课件,1、LC选频网络,电路的谐振频率理想时,2、变压器反馈式振荡电路,内容回顾,3.电感反馈式振荡电路,uf,4.电容反馈式振荡电路,电压比较器：是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，将输入电压和一个参考电压进行比较并将比较的结果对外输出的电路，是组成产生非正弦波电路的基本单元电路。,8.2 电压比较器,例：,模拟量,数字量,8.2.1 概述,一、电压比较器的电压传输特性：即：电压比较器uO与uI 的关系曲线 uO=f(uI)用曲线来描述，称为电压传输特性。,注意：在电压比较器中，uI 可以是模拟信号，而uO 只有两种可能的状态：UOH和UOL，用以表示比较的结果。,当uO 从UOH 跃变为UOL，或从UOL跃变为UOH时，对应的输入电压uI 称为阈值电压，或转折电压，记作UT。,描述电压传输特性的三要素:,1.uO 高、低电压UOH、UOL；2.阈值电压UT 的值当uO 从UOH 跃变为UOL，或从UOL跃变为UOH时，（即uO=0时）对应的uI；3.uI 经过UT 时uO 的跃变方向。,为了正确画出电压传输特性，必须求出电压比较器三个要素：,（1）输出电压uO 高电平UOH 和低电平UOL的数值；（一般有限幅）,（2）求出阈值电压的数值UT（即uO=0时对应的uI）,（3）正确判断当uI 变化且经过UT 时，uO 的跃变方向，即是从UOH跃变为UOL，还是UOL跃变为UOH。,二、集成运放的非线性工作区：1.工作条件：电路开环或引入正反馈。,2)iP=iN=0,uO=A uI=A(uP uN),只要 uP uN,uP uN,uO=+UOM,uP uN,uO=-UOM,uO 与uI（uP uN）成非线性关系。,uO=A uI=A(uP uN),3.集成运放构成电压比较器时 uO、uI对应的 三要素：,1)uO:UOH=UOM,UOM=-UOM;,2)当 uP=uN（即uO=0）时对应的uI=UT;,三、电压比较器的种类：根据阈值电压UT及uO 的情况分为：,单限比较器：uI单一方向变化时，uO跃变一次,只有一个UT。,2.滞回比较器,3.窗口比较器：uI 单一方向变化时，uO 跃变两次。,有两个UT,1.单限比较器,uI单一方向变化时，uO 跃变一次。,8.2.2 单限比较器,一、过零比较器 UT=0,反相输入端输入信号，同相输入端接地。uI 0,uO=-UOM,uI 0,uO=+UOM.,电压传输特性,UT,同相输入端输入信号，反相输入端接地。,电压传输特性,uI 0,uO=+UOM.,阈值电压(转折电压)UT=0 V。,UT,UT=0 V,例1 电路如图所示，运放输出电压为6V，输入信号如图，试画出它的输出电压波形。,+6V,-6V,1、电压比较器输入级的保护电路,为了保护电路的输入级，限制集成运放的差模输入电压为UD，可加二极管限幅电路。,uI 0,uO=-UOM,uI 0,uO=+UOM.,几种常见的比较器限幅保护电路,2.电压比较器的输出限幅电路,在实用电路中，为了满足负载的需要，常常在集成运放的输出端加稳压管限幅电路，以获得合适的UOL和UOH。,uI0 时，uO=-UOM，DZ1工作在正向导通状态，DZ2工作在稳压状态，所以 uO=UOL=-(UZ2+UD)；,uI 0 时，uO=+UOM，DZ2工作在正向导通状态，DZ1工作在稳压状态，所以 uO=UOH=+(UZ1+UD).,如果要求 UOH=-UOL,输出电压对称，可采用如图所示的电路。,限幅电路的稳压管还可以跨接在集成运放的输出端与反相输入端。,对于任何比较器的分析就是得到其电压传输特性：即 uO、uI的关系。,二、一般单限比较器:,阈值电压UT=UREF。,UREF,如图：UREF为外加参考电压，又为基准电压。,如图：UREF为外加参考电压，又为基准电压。,根据比较器的电压传输特性要点，只要分析出三要素，就可以得到电压传输特性。,（1）uO 的高、低电平UOH 和UOL；（2）求UT；（3）确定uI=UT 时，uO的跃变方向。,描述电压传输特性的三要素：,1、uO 的高、低电平,如图电路很明显：up=0，,根据电路：,UOH=UZ;,UOL=-UZ.,2、求UT,指uO由高到低、或由低到高变化时，对应的 uI。,对于运放而言，uO 跃变时，对应的uD=0，即up=uN。,根据电路画出比较器的电压传输特性,如果 UREF 0；反之，UT 0。,3、确定uI 经过 UT 时，uO 的跃变方向(uI在反相输入端）,uI=UT 时，uN=uP,uO=0,当uI UT 时,uN uP,uO=-UZ，,当uI UT 时,uN uP,uO=+UZ，,uI=UT 时，uN=uP,uO=0,当uI UT 时,uN uP,uO=-UZ，,当uI UT 时,uN uP,uO=+UZ，,4、画出uO、uI 的电压传输特性。,通过以上分析得到电压传输特性。,设 UREF 0,uO、uI 的电压传输特性。,综上所述，分析电压传输特性三要素的方法。P413,（1）通过集成运放输出端所接的限幅电路来确定电压比较器的输出低电平 UOL和输出高电平UOH；,（2）写出集成运放同相、反相输入端电位uP 和uN 的表达式，令uP=uN，解得输入电压就是阈值电压UT；,（3）uO 在uI 过UT 时的跃变方向决定于uI 作用于集成运放的哪个输入端。若uI 从反相输入端输入（或通过电阻接反相输入端），当uI UT 时，uO=UOL。若uI 从同相输入端输入（或通过电阻接同相输入端），当uI UT时，uO=UOH。,将三角波变换成矩形波,利用电压比较器可以实现波形变换如图：,8.2.3 滞回比较器,在uI单向变化时，uO 有一定的惯性，提高了比较器的抗干扰能力。,如图：从反相输入端输入信号，电路引入正反馈。,=施密特触发器,根据电路分析电压传输特性：,1、uO 的高、低电平,根据电路：,UOH=UZ;,UOL=-UZ.,2、求UT,根据电路：,UT 有两个值,3、确定uI=UT 时，uO 的跃变方向。,1)如果uO=+UZ，则：,输入信号由小到大,uI=uN=UT1,uO=0,跳变点为：UT1,2)如果uO=-UZ，则：,即：输入信号由大到小,UT1,跳变点为：UT2,uI=uN=-UT2,uO=0,注意：uO 从+UZ 到-UZ 和从-UZ 到+UZ 的变化过程中对应的UT不同。,当-UT uI+UT 时，uO 可能是+UZ，也可能是-UZ。,4、画出电路的电压传输特性,具体为哪一个，决定于uO的取值以及uI 的变化方向。,波形分析,注意：不是所有阈值电压和输入电压的交点都是输出跳变点。,加参考电压的滞回比较器，在同相输入端加参考电压。,1、uO 的高、低电平,根据电路：,UOH=UZ;,UOL=-UZ.,2、求UT,根据电路：,UT 有两个值,3、确定uI=UT 时，uO的跃变方向。,1)如果uO=+UZ，则：,uI=uN=UT1,uO=0,2)如果uO=-UZ，则：,uI=uN=-UT2,uO=0,4、画出电压传输特性。,例2:已知电路,R1=50k,R2=100k,稳压管UZ=9V,输入电压uI 的波形如图所示,试画出uO波形。,解：1、输出高电平和低电平分别为 UZ=9V；,2、阈值电压,3、确定uI=UT 时，uO 的跃变方向；画出电压传输特性。,4、画出输出电压波形。,作业 P473-475：8.14(a、d)，8.15（uo3不画）,在实用电路中除了常见的正弦波外，还用矩形波、三角波、锯齿波、尖顶波、阶梯波等。,8.3 非正弦波发生电路,几种常见的非正弦波,矩形波发生电路,今天主要简单介绍矩形波发生器。矩形波发生器是其他非正弦波发生器电路的基础。,对应电路电压传输特性,对应方波发生电路的波形图,例3：设计一个电压比较器,使其电压传输特性如下图所示，要求所用电阻阻值在20100k之间。,UZ=6V，UT=3V,解：根据电压传输特性，电路为滞回电压比较器，且输入电压应作用于同相输入端。,如果R1取25k，R2取50k即可。,要求所用电阻阻值在20100k之间,得到:R2=2 R1,作业 P473-475：8.14(a、d)，8.15（uo3不画）,电压传输特性的三个要素：,（1）输出电压高电平和低电平的数值 UOH和UOL；,（2）求出阈值电压的数值UT；,（3）正确判断当uI 变化且经过UT 时，uO 的跃变方向，即是从UOH跃变为UOL，还是UOL跃变为UOH。,1.单限比较器,2.滞回比较器,3.窗口比较器：ui 单一方向变化时，uo 跃变两次。,有两个UT,ui 单一方向变化时，uo 跃变一次,只有一个UT。,内容回顾,一、过零比较器 UT=0,二、一般单限比较器:,三、滞回比较器,UT 有两个值,例1、电路如图所示，图中稳压管的稳定电压uZ=6V；输入电压为图所示的三角波，试画出它的输出电压波形。,解：UOL=-6V,UOH=6V;UT=0,当uI 0时，uO=-UZ=-6V。,例2、电路如图所示，图中R1=R2=5k，基准电压UREF=2V，稳压管的稳定电压UZ=5V；输入电压为图所示的三角波，试画出输出电压波形。,当uI-2V时，uO=+UZ=+5V;,当uI-2V时，uO=-UZ=-5V。,两种电路输出电压波形比较,8.2.4 窗口比较器,当uI URH 时，uO1=+UOM，uO2=-UOM，使D1导通,D2截止。稳压管DZ工作在稳压状态，uO=+UZ。,当uI URL 时，uO1=-UOM，uO2=+UOM，使D2导通,D1截止。稳压管DZ工作在稳压状态，uO=+UZ。,当URL uI URH 时，uO1=uO2=-UOM，使D1和 D2均截止。稳压管DZ截止，uO=0。URL 和 URH分别为比较器的两个阈值电压。,（1）在电压比较器中，集成运放多工作在非线性区，输出电压只有高电平和低电平两种可能的情况。（2）一般用电压传输特性来描述输出电压和输入电压的函数关系。（3）电压传输特性的三个要素是输出电压的高、低电平，阈值电压和输出电压的跃变方向。输出电压的高、低电平决定于限幅电路；令uP=uN所求出的uI就是阈值电压UT；uI等于阈值电压时输出电压的的跃变方向决定于uI作用于集成运放的同相输入端还是反相输入端。,小结：,7.9 电路如图所示,（1）写出uO与uI1、uI2的运算关系式；（2）当RW的滑动端在最上端时，若uI110mV，uI220mV，则uO？,（3）若uO的最大幅值为14V，输入电压最大值 uI1max10mV，uI2max20mV，最小值均为0V，则为了保证集成运放工作在线性区，R2的最大值为多少？,解：（1）写出uO与uI1、uI2的运算关系式；,A2同相输入端电位,输出电压,或,up2,uN2,+Up2,（2）当RW的滑动端在最上端时，若uI110mV，uI220mV，则uO？解：将uI110mV，uI220mV 代入,得uO100mV,（3）若uO的最大幅值为14V，输入电压最大值 uI1max10mV，uI2max20mV，最小值均为0V，为保证集成运放工作在线性区，R2的最大值为多少？解：根据题目所给参数，（uI2 uI1）的最大值为20mV。若R2最大,则R1为最小值，则为保证集成运放工作在线性区，（uI2 uI1）20mV时集成运放的输出电压应为14V，写成表达式为,故：R1min 143 R2maxRWR1min（100.143）k9.86 k,7.11 在图（a）所示电路中，已知输入电压uI的波形如图（b）所示，当t0时uO0。试画出输出电压uO的波形。,解：输出电压的表达式为,当uI为常量时：,因此输出波形如解图所示。,若t0时uO0，,uI,uO,则t5ms时 uO10055103V2.5V。,当t15mS时 uO100(5)10103（2.5）V2.5V。,8.6 电路如图所示，试求解：（1）RW的下限值；（2）振荡频率的调节范围。,解:（1）根据振荡条件：|AF|1,故RW的下限值为2k。,（2）振荡频率的最大值和最小值分别为,8.7 电路如图所示，稳压管DZ起稳幅作用，其稳定电压UZ6V。试估算：（1）输出电压不失真情况下的有效值；（2）振荡频率。,解:（1）输出电压不失真情况下的峰值是稳压管的稳定电压，故其有效值,（2）电路的振荡频率:,
